CN108134580B - 一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器，包括第一频率功率分配电路、第二频率功率分配电路、第一双工电路、第二双工电路、第一频率延时电路、第二频率延时电路、第一功率放大电路、第二功率放大电路、第三功率放大电路、第一寄生补偿电路、第二寄生补偿电路、第一功率合成电路、第二功率合成电路，两个工作在不同频率的峰值放大器通过共用中间一路同时工作在双频的载波功率放大器，可以构成一个2端口输入2端口输出的双频Doherty功率放大器，相对于传统结构，本发明只用了三个晶体管通过共用的方式实现双频Doherty功率放大器，节约了晶体管成本，而且电路体积更小，集成度更高。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器。
背景技术
功率放大器作为无线通信系统的核心部件之一，同时也消耗了大量的能量，对整个系统性能的影响尤为突出。近年来无线通信技术的快速发展极大地推动了例如LTE、WiMAX等复杂调制信号的部署，然而这些复杂调制信号通常都具有高峰均比的特点，这就使得常规AB类功率放大器难以满足系统对于效率、线性度、功耗、散热的要求，正是在这样的背景下，Doherty功率放大器逐渐得到学者们重视和充分研究，使得Doherty功率放大器可以在较大的功率回退区内保持高效率。同时随着无线通信标准覆盖的频段越来越多，无线基站必须同时支持多个频段，多频段射频组件的需求也就越来越大，因此双频Doherty功率放大器有很重要的研究价值。
传统单频Doherty功率放大器由一个偏置在AB类的载波功率放大器和一个偏置在C类的峰值功率放大器构成，需要2个晶体管，那么要实现两个不同频率的Doherty功率放大器就需要4个晶体管。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器。
本发明采用如下技术方案：
一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器，包括第一频率功率分配电路、第二频率功率分配电路、第一双工电路、第二双工电路、第一频率延时电路、第二频率延时电路、第一功率放大电路、第二功率放大电路、第三功率放大电路、第一寄生补偿电路、第二寄生补偿电路、第一功率合成电路及第二功率合成电路；
所述第一频率功率分配电路及第二频率功率分配电路均为一个输入端，两个输出端的三端口网络，所述第一双工电路是两个输入端及一个输出端的三端口网络；
第一频率功率分配电路输入端接收第一频率输入信号，其两个输出端分别连接第一频率延时电路的输入端及第一双工电路的一个输入端，所述第一频率延时电路的输出端、第一功率放大电路、第一寄生补偿电路、第一功率合成电路及负载依次连接；
所述第二频率功率分配电路输入端接收第二频率输入信号，其两个输出端分别连接第一双工电路的另一个输入端及第二频率延时电路的输入端，所述第二频率延时电路的输出端、第三功率放大电路、第二寄生补偿电路、第二功率合成电路及负载依次连接；
所述第一双工电路的输出端与第二功率放大电路的输入端连接，所述第二功率放大电路的输出端与第二双工电路的输入端连接，第二双工电路为一个输入端及两个输出端的三端口网络，其两个输出端分别与第一功率合成电路及第二功率合成电路连接；
所述第一功率合成电路由第一阻抗逆置电路及第一阻抗变换电路构成，第一阻抗变换电路的作用是减小从信号合路点处往负载方向看过去的视在阻抗，结合第一阻抗逆置电路，那么从第一阻抗逆置电路输入端往负载方向看过去的视在阻抗转换到一个比50ohm大的值，使得载波功放提前到达饱和状态，产生功率回退区。
所述第二功率合成电路由第二阻抗逆置电路及第二阻抗变换电路构成，第二阻抗变换电路的作用是减小从信号合路点处往负载方向看过去的视在阻抗，结合第二阻抗逆置电路，那么从第二阻抗逆置电路输入端往负载方向看过去的视在阻抗转换到一个比50ohm大的值，使得载波功放提前到达饱和状态，产生功率回退区。
所述第二双工电路的两个输出端分别与第一阻抗逆置电路及第二阻抗逆置电路的输入端连接，第一阻抗变换电路的输入端分别与第一阻抗逆置电路的输出端及第一寄生补偿电路的输出端连接，所述第一阻抗变换电路的输出端与负载连接；
所述第二阻抗变换电路的输入端分别与第二阻抗逆置电路的输出端及第二寄生补偿电路的输出端连接，所述第二阻抗变换电路的输出端与负载连接；
所述第一频率延时电路和第二频率延时电路都是特性阻抗为50ohm的一定电长度的微带线；第一频率延时电路输入端接收第一频率功率分配电路输出的信号，输出端与第一功率放大电路输入端相连，由于Doherty功率放大器的核心思想就是有源负载调制(用峰值功放产生的电流去调制载波功放的负载阻抗)，所以经过载波功放和峰值功放放大的两路信号在合路点处相位要求尽量相同，通过调整第一频率延时电路的电长度来改变第一功率放大电路输出信号在合路点处的相位以对载波功放的负载阻抗进行有效调制。
第二频率延时电路输入端接收第二频率功率分配电路输出的信号，输出端与第三功率放大电路输入端相连，通过调整第二频率延时电路的电长度来改变第三功率放大电路输出信号在合路点处的相位以有效调制载波功放的负载阻抗。
所述第一寄生补偿电路和第二寄生补偿电路的特性阻抗都为50ohm；第一寄生补偿电路的作用是在小功率状态下把从合路点处往第一频率峰值功放看过去的视在阻抗转换到高阻抗状态，以防止小功率状态下载波功放第一频率输出信号的功率泄露到第一频率峰值功放降低效率。
第二寄生补偿电路的作用是在小功率状态下把从合路点处往第二频率峰值功放看过去的视在阻抗转换到高阻抗状态，以防止小功率状态下载波功放第二频率输出信号的功率泄露到第二频率峰值功放降低效率。
所述第一功率放大电路是工作在第一频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，第三功率放大电路是工作在第二频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，第二功率放大电路是工作在第一频率及第二频率的偏置在AB类的双频载波功率放大电路；
所述第一阻抗逆置电路的特性阻抗为β1*Z0，第一阻抗变换电路的特性阻抗为β1为第一频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第一频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，其电长度均为90度；
所述第二阻抗逆置电路的特性阻抗为β2*Z0，第一阻抗变换电路的特性阻抗为β2为第二频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第二频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，其电长度均为90度。
所述第一双工电路由七段微带线组成，包含两个由三段微带线组成的T型结和一段联结的微带线，两个T型结分别和联结的微带线构成一个频率的通带，并且两个T型结之间具有良好的异频隔离特性。第二双工电路就是把第一双工电路的输入端和输出端调换位置即可。
本发明的有益效果：
(1)传统一输入端一输出端的单频Doherty功率放大器由一个载波功率放大器和一个峰值功率放大器构成，需要两个晶体管，那么要实现两个频率下的Doherty功率放大器就需要四个晶体管，本发明只用了三个晶体管通过共用的方式实现双频Doherty功率放大器，节约了晶体管成本，而且电路体积更小，集成度更高。
(2)相比于用三个晶体管通过共用一个晶体管(其中共用的晶体管单独工作在第一频率或者单独工作在第二频率)来构成的Doherty功率放大器，本发明中共用的晶体管同时放大两个不同频率的信号，输出端口可以同时输出两个频率的信号，构成两个频率的Doherty功率放大器。
(3)相比于用三个晶体管通过共用一个晶体管(其中三个晶体管都工作在一个频率)来构成的两端口输入两端口输出的单频Doherty功率放大器，本发明可以同时输出两个频率的信号，满足覆盖越来越多频段的无线通信标准。
附图说明
图1是传统Doherty功率放大器结构原理框图。
图2是本发明提供的一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器结构框图。
图3(a)及图3(b)是本发明实施例在工作频率为2.59GHz和3.5GHz时，在不同输出功率情况下对应漏极效率以及增益仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2所示，一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器，包括第一频率功率分配电路、第二频率功率分配电路、第一双工电路、第二双工电路、第一频率延时电路、第二频率延时电路、第一功率放大电路、第二功率放大电路、第三功率放大电路、第一寄生补偿电路、第二寄生补偿电路、第一功率合成电路及第二功率合成电路；如图1所示，大部分传统Doherty功率放大器需要两个晶体管并且只工作在单个频点，无法满足现代通信系统同时覆盖多个频点的要求。在本发明中，通过两个工作在不同频率的峰值功放来共用一路同时工作在两个频率的载波功放构成一个双频三路Doherty功率放大器。由于共用的载波功放同时放大两个频率的信号，相当于可以同时构成了两个不同频率的高效率Doherty功率放大器，满足越来越多频率覆盖的通信系统要求，同时电路集成度也更高，成本也得以节约。
所述第一频率功率分配电路为一个输入端，两个输出端的三端口网络，对第一频率输入信号进行同幅同相分离，分离出的两路射频信号完全一样，一路信号进入第一频率延时电路，另一路信号进入第一双工电路的一个输入端；
所述第二频率功率分配电路为一个输入端，两个输出端的三端口网络，对第二频率输入信号进行同幅同相分离，分离出的两路射频信号完全一样，一路信号进入第二频率延时电路，另一路信号进入第一双工电路的另一个输入端；
所述第一双工电路是两个输入端及一个输出端的三端口网络，两个输入端分别接收从第一频率功率分配电路和第二频率功率分配电路分离出来的两路不同频率的信号，两路不同频率的信号由第一双工电路的输出端进入第二功率放大电路的输入端进行功率放大；
所述第一功率放大电路是工作在第一频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，第三功率放大电路是工作在第二频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，均由输入匹配网络，稳定电路，栅极偏置电路，晶体管，漏极偏置电路以及输出匹配网络等组成。第二功率放大电路是同时工作在第一频率和第二频率的偏置在AB类的双频载波功率放大电路，其输入匹配电路，栅极偏置电路以及漏极偏置电路都要求满足双频匹配条件，并且输出匹配电路要求完成在两个频率下的大功率状态和小功率状态的良好匹配。本实施例通过调节峰值功率放大器的栅极偏置电压以及输入射频信号的大小来调整峰值功率放大器的开启时间。
所述第二双工电路为一个输入端及两个输出端的三端口网络，输入端接收经过第二功率放大电路放大的两个频率的射频信号，其中一个频率的信号由一个输出端进入第一阻抗逆置电路，另一个频率的信号由另一个输出端进入第二阻抗逆置电路。
所述第一功率合成电路由第一阻抗逆置电路及第一阻抗变换电路构成；
所述第二功率合成电路由第二阻抗逆置电路及第二阻抗变换电路构成；
所述第一阻抗变换电路的输入端分别与第一阻抗逆置电路的输出端及第一寄生补偿电路的输出端连接，由第一功率放大电路放大的第一频率信号和第二功率放大电路放大的第一频率信号在第一阻抗逆置电路的输出端及第一寄生补偿电路的输出端汇合进入第一阻抗变换电路进而到达负载端；
所述第二阻抗变换电路的输入端分别与第二阻抗逆置电路的输出端及第二寄生补偿电路的输出端连接，由第三功率放大电路放大的第二频率信号和第二功率放大电路放大的第二频率信号在第二阻抗逆置电路的输出端及第二寄生补偿电路的输出端汇合进入第二阻抗变换电路进而到达负载端；
所述第一频率延时电路和第二频率延时电路的特性阻抗都为50ohm，作用是通过调整两个延时电路的电长度来调整第一功率放大电路和第三功率放大电路的输出信号在相应合路点处的相位以对第二功率放大电路的负载进行有效调制以达到高效率Doherty功放的效果。
所述第一阻抗逆置电路的特性阻抗为β1*Z0，第一阻抗变换电路的特性阻抗为β1为第一频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第一频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，其电长度均为90度。
所述第二阻抗逆置电路的特性阻抗为β2*Z0，第一阻抗变换电路的特性阻抗为β2为第二频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第二频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，其电长度均为90度。
所述第一双工电路由七段微带线组成，包含两个由三段微带线组成的T型结和一段联结的微带线，两个T型结分别和联结的微带线构成一个频率的通带，并且两个T型结之间具有良好的异频隔离特性。第二双工电路就是把第一双工电路的输入端和输出端调换位置即可。
第一寄生补偿电路是特性阻抗为50ohm的一定电长度的微带线，其输入端与第一功率放大电路输出端相连，输出端直接与第一阻抗变换电路的输入端相连，第一寄生补偿电路的作用是在小功率状态下把从合路点处往第一频率峰值功放看过去的视在阻抗转换到合适的高阻抗状态，以防止小功率状态下第二功率放大电路第一频率输出信号的功率泄露到第一频率峰值功放降低效率。
第二寄生补偿电路是特性阻抗为50ohm的一定电长度的微带线，其输入端与第三功率放大电路输出端相连，输出端直接与第二阻抗变换电路的输入端相连，第二寄生补偿电路的作用是在小功率状态下把从合路点处往第二频率峰值功放看过去的视在阻抗转换到合适的高阻抗状态，以防止小功率状态下第二功率放大电路第二频率输出信号的功率泄露到第二频率峰值功放降低效率。
第一功率合成电路由第一阻抗逆置电路和第一阻抗变换电路构成，第二功率合成电路由第二阻抗逆置器和第二阻抗变换电路构成，第一功率合成电路和第二功率合成电路的作用是使得在小功率状态下载波功放具有比传统50ohm更大的负载阻抗，配合载波功放输出匹配电路在小功率状态下的良好匹配条件，能使得载波功放提前达到饱和状态产生功率回退区并且效率不会降低，在大功率状态下配合峰值功放产生的电流对载波功放的负载进行调制，使得在最终饱和状态时，将Doherty功率放大器负载转换到50ohm的标准负载。
所述第一工作频率及第二工作频率不同。
图3(a)，图3(b)所示分别是工作在频率为2590MHz和3.5GHz时，本发明实施例在不同输出功率下的漏极效率以及增益的仿真结果。图中横坐标表示输出功率大小，单位为dBm，图3(a)纵坐标数字分别表示总的漏极效率，单位为％，图3(b)纵坐标数字表示整个电路的增益，单位为dB。从图中可以看出在最大功率回退5.7dB范围内漏极效率保持在70％以上，饱和状态效率接近80％。
综上所述，本发明提供了一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器，工作在第一频率的峰值功率放大器和工作在第二频率的峰值功率放大器通过共用同时工作在双频的载波功率放大器来构成一个双频Doherty功率放大器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种载波功放共用的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，包括第一频率功率分配电路、第二频率功率分配电路、第一双工电路、第二双工电路、第一频率延时电路、第二频率延时电路、第一功率放大电路、第二功放大电路、第三功率放大电路、第一寄生补偿电路、第二寄生补偿电路、第一功率合成电路及第二功率合成电路；
所述第一频率功率分配电路及第二频率功率分配电路均为一个输入端，两个输出端的三端口网络，所述第一双工电路是两个输入端及一个输出端的三端口网络；
第一频率功率分配电路输入端接收第一频率输入信号，其两个输出端分别连接第一频率延时电路的输入端及第一双工电路的一个输入端，所述第一频率延时电路的输出端、第一功率放大电路、第一寄生补偿电路、第一功率合成电路及负载依次连接；
所述第二频率功率分配电路输入端接收第二频率输入信号，其两个输出端分别连接第一双工电路的另一个输入端及第二频率延时电路的输入端，所述第二频率延时电路的输出端、第三功率放大电路、第二寄生补偿电路、第二功率合成电路及负载依次连接；
所述第一双工电路的输出端与第二功率放大电路的输入端连接，所述第二功率放大电路的输出端与第二双工电路的输入端连接，第二双工电路为一个输入端及两个输出端的三端口网络，其两个输出端分别与第一功率合成电路及第二功率合成电路连接；
所述第一双工电路由七段微带线构成，具体是两个三段微带线构成的T型结通过一个微带线连接。
2.根据权利要求1所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一功率合成电路由第一阻抗逆置电路及第一阻抗变换电路构成；
所述第二功率合成电路由第二阻抗逆置电路及第二阻抗变换电路构成；
所述第二双工电路的两个输出端分别与第一阻抗逆置电路及第二阻抗逆置电路的输入端连接，第一阻抗变换电路的输入端分别与第一阻抗逆置电路的输出端及第一寄生补偿电路的输出端连接，所述第一阻抗变换电路的输出端与负载连接；
所述第二阻抗变换电路的输入端分别与第二阻抗逆置电路的输出端及第二寄生补偿电路的输出端连接，所述第二阻抗变换电路的输出端与负载连接。
3.根据权利要求1所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一频率延时电路和第二频率延时电路的特性阻抗都为50ohm。
4.根据权利要求1所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一寄生补偿电路和第二寄生补偿电路的特性阻抗都为50ohm。
5.根据权利要求1所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，第一功率放大电路是工作在第一频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，第三功率放大电路是工作在第二频率的偏置在C类的峰值功率放大电路，第二功率放大电路是工作在第一频率及第二频率的偏置在AB类的双频载波功率放大电路。
6.根据权利要求2所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一阻抗逆置电路的特性阻抗为β1*Z0，第一阻抗变换电路的特性阻抗为β1为第一频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第一频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，第一阻抗逆置电路及第一阻抗变换电路的电长度均为90度。
7.根据权利要求2所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，第二阻抗逆置电路的特性阻抗为β2*Z0，第二阻抗变换电路的特性阻抗为β2为第二频率峰值功放输出的最大基波电流与双频载波功放输出的第二频率的最大基波电流之比，Z0为50ohm，第二阻抗逆置电路及第二阻抗变换电路的电长度均为90度。
8.根据权利要求1所述的双频三路Doherty功率放大器，其特征在于，两个T型结分别和连结的微带线构成一个频率的通带，并且两个T型结之间具有良好的异频隔离特性；
第二双工电路就是把第一双工电路的输入端和输出端调换位置即可。
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| CN101388648A (zh) * | 2007-09-14 | 2009-03-18 | 财团法人工业技术研究院 | 多频多模式功率放大电路以及其操作方法 |
| CN107425814A (zh) * | 2017-08-07 | 2017-12-01 | 杭州电子科技大学 | 一种基于补偿寄生电容的宽带Doherty功率放大器 |
| CN107508559A (zh) * | 2017-08-07 | 2017-12-22 | 电子科技大学 | 一种新型数字双输入三路Doherty功率放大装置 |
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2018
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